L'image était tellement plus nette il y a 20 à 25 ans. Je vais d'abord présenter cette belle image propre. Les étoiles se forment à partir de l'effondrement gravitationnel d'énormes nuages de gaz interstellaire. Ces nuages de gaz ont inévitablement un moment angulaire net non nul. Cela oblige le nuage de gaz à changer de forme, passant d'une forme plus ou moins sphérique à une forme de disque. (Pourquoi? C'est une question différente. Posez-la.)
Bien que ce disque protoplanétaire ait continué d'alimenter la protostarine en croissance, il a également ouvert la voie à la formation de planètes. Le nuage de gaz était principalement de l'hydrogène et de l'hélium primordiaux, mais il contenait également des éléments plus lourds grâce à la fusion stellaire et aux supernovas au cours des milliards d'années qui ont précédé la formation de notre système solaire.
Ces éléments plus lourds se comportent très différemment que l'hydrogène et l'hélium. Ils ont la chimie. Les planètes ont commencé comme des amas microscopiques de masse de ces éléments plus lourds, liés chimiquement. Ces amas microscopiques sont parfois entrés en collision, formant éventuellement de plus gros amas de masse. Ces touffes plus grosses sont à leur tour entrées en collision les unes avec les autres, formant des touffes de masse encore plus grandes. Finalement, les touffes sont devenues suffisamment grandes pour interagir gravitationnellement, ce qui les a fait grossir encore plus. Ce processus s'est poursuivi, formant finalement des protoplanètes, puis des embryons planétaires, et enfin des planètes.
La température dans le disque protoplanétaire était élevée près de la protoétoile en formation, mais elle a chuté précipitamment avec l'éloignement de la protoétoile. À un certain point, les substances volatiles telles que l'eau, l'ammoniac, le méthane et le dioxyde de carbone deviennent aussi solides que la roche. Il s'agit de la ligne de glace, alias la ligne de neige ou la ligne de gel. Les astéroïdes à l'intérieur de l'orbite de Ceres ont tendance à être rocheux. Les astéroïdes en dehors de l'orbite de Ceres ont tendance à être glacés.
Les planètes qui se forment à l'extérieur de la ligne de glace peuvent se développer très rapidement, puis devenir très, très grandes. La substance qui comprend le disque protoplanétaire orbite autour de la proto-étoile en croissance à autre chose que le taux suggéré par les lois de Kepler grâce à la pression de toutes ces choses dans le disque. Grâce à la loi du cube carré, les objets plus gros ne sont pas aussi soumis à cette pression. Ces objets plus gros orbitent à un taux képlérien. Les planètes qui se forment à l'extérieur de la ligne de glace se développent très rapidement, puis balaient le gaz et la glace parce qu'elles sont en orbite à une vitesse différente de celle de l'environnement immédiat. Le résultat est des géantes gazeuses comme Jupiter et Saturne et plus loin, des géantes de glace comme Uranus et Neptune. La croissance planétaire est un processus beaucoup plus difficile et beaucoup plus lent à l'intérieur de la ligne de glace. Voilà pourquoi Mercure, Vénus, la Terre,
Voilà la jolie image. L'image pas si jolie:
Pourquoi Mercure et Mars sont-ils tellement plus petits que Vénus et la Terre?
Les simulations suggèrent que les planètes rocheuses devraient toutes être plus ou moins de la même taille. Ce n'est pas le cas dans notre propre système solaire, encore moins ailleurs.
Comment Uranus et Neptune ont-ils pu se former?
Les simulations ne peuvent pas recréer Uranus et Neptune à leurs distances actuelles du Soleil. Le matériel dans le disque protoplanétaire aurait dû être trop clairsemé à ces distances pour former de grandes planètes.
Bien, bien pire, quel est le problème avec toutes les exoplanètes étranges que les scientifiques ont trouvées?
Les scientifiques ont trouvé des objets de la taille de Jupiter en orbite très près de leur soleil, des objets de la taille de Neptune en orbite où le modèle simple ne formerait que des planètes rocheuses et des planètes sur des orbites très inclinées (et parfois rétrogrades) qui n'ont aucun sens.
Ces simulations (qui sont devenues très bonnes) et la pléthore d'exoplanètes ont repoussé la théorie de la formation des planètes au stade «c'est drôle». ("La phrase la plus excitante à entendre en science, celle qui annonce de nouvelles découvertes, n'est pas" Eurêka! "Mais" C'est drôle ... "", une citation largement attribuée à Isaac Asimov.)